金属钠与水反应

2024-06-03

金属钠与水反应（通用9篇）

金属钠与水反应篇1

一、问题的提出

在互联网上有一个碱金属与水反应实验的视频:国外一组研究人员在空旷的室外进行碱金属单质锂、钠、钾、铷、铯与水反应的实验。具体的现象是:锂与水平稳反应;钠与水剧烈反应, 有黄光;钾与水剧烈反应并起火, 轻微爆炸;铷与水迅速反应, 爆炸, 将一只类似浴缸样的容器炸出一个窟窿;铯与水反应, 剧烈爆炸, 将类似浴缸样的容器炸得粉碎。因为中学化学实验室一般没有金属锂、铷和铯, 因此这个视频被我引入课堂, 也很快吸引了学生的眼球, 他们兴奋异常, 有的甚至尖叫起来。根据实验现象, 很容易得出碱金属单质随原子序数的递增, 金属性逐渐增强的结论。同时, 元素周期律也表明, 同主族元素, 从上往下随核电荷数的增加, 金属性逐渐增强。这与实验现象非常吻合, 是理论与实践完美统一的典范。

但查阅大学教材附录我们可以发现, 金属锂的标准电极电势却是碱金属元素中最小 (负) 的。

由表1中数据发现, 标准电极电势随原子序数递增顺序并非单调变化, 且与元素周期律揭示的金属性顺序不一致。原因在哪里?要回答这个问题, 我们首先要对中学化学中常见概念———“金属性”进行辨析。

二、游离态原子的金属性与电离能

在苏教版《化学2》 (必修) 第9页:“同一主族元素的原子最外层电子数相同, 随着核电荷数的增大, 电子层数逐渐增加, 原子半径逐渐增大, 原子失去电子的能力逐渐增强, 获得电子的能力逐渐减弱, 元素的金属性逐渐增强, 非金属性逐渐减弱。”我们从表述中可以知道, 这里“金属性”所描述的对象是“游离态的原子”, 即气态原子。我们知道, 气态氢原子的1s电子, 若得到13.6e V的能量, 将从基态跃迁到n=∞的激发态, 成为自由电子, 氢原子失去1个电子变为+1价的气态阳离子。就是氢的电离能 (I1) 为13.6e V (约1310k J·mol-1) 。又如碱金属Na的第一电离能 (I1) 可表示为:Na (g) -e-=Na+ (g) ΔH=494k J·mol-1。化学上常用电离能 (I) 考察“游离态原子”的金属性强弱。

(I1) [1]

元素原子的电离能越小, 表示气态时越容易失去电子, 即该元素在气态时的金属性越强。从上面表格的数据我们可以得出, 游离态碱金属元素的金属性强弱顺序:Li<Na<K<Rb<Cs。

电离能的数值大小主要取决于原子的有效核电荷数 (Z*) 、原子半径以及原子的电子构型。一般来说, 同一周期的元素具有相同的电子层数, 从左至右有效核电荷数 (Z*) 增大, 原子半径减小, 核对外层电子的引力加大。因此, 越靠右的元素, 越不易失去电子, 电离能也就越大。同一主族元素电子层数不同, 最外层电子数相同, 原子半径增大起主要作用。因此, 半径越大, 核对电子引力越小, 越易失去电子, 电离能也就越小。但从第4周期开始, p区元素由于填充3d轨道电子, 有效核电荷数 (Z*) 的贡献开始凸现, 电离能变小趋势减小。尤其是第6周期开始填充4f轨道电子, 有效核电荷数 (Z*) 的贡献甚至超过原子半径增大所起的贡献, 有些主族元素的电离能有增大的趋势 (见表3) 。电子构型是影响电离能的第三个因素, 各周期中稀有气体元素的电离能最大, 部分原因是由于稀有气体元素的电子具有相对稳定的8电子最外层构型。某些元素具有全充满和半充满的电子构型, 稳定性比较高。如Zn (3d104s2) 、Cd (4d105s2) 、Hg (5d106s2) 比同周期相邻元素的电离能高 (见表4) 。

(I1) [1]

(I1) 单位:k J·mol-1[1]

三、水溶液中原子的金属性

在《化学2》的第5页“信息提示”栏目中关于金属性强弱判断的表述:通常情况下, 元素的金属性越强, 它的单质越容易从水或酸中置换出氢, 该元素最高价氧化物的水化物的碱性越强。这种定性描述往往难以准确界定:“越容易”的标准是什么?Na OH、KOH、Rb OH、Cs OH的碱性强弱又被溶剂水拉平而无法比较。为此, 化学上引入了电极电势的概念。对于金属元素, 如铜的标准电极电势为 +0.337V, 锌的标准电极电势为-0.763V。显然+0.337> (-0.763V) , 即锌比铜金属性强。锌的电极电势比铜的电极电势小得多, 金属锌是较强的还原剂, 锌离子能在溶液中较稳定地存在, 是弱氧化剂。相反, Cu2+是比Zn2+更强的氧化剂, 金属铜是比金属锌更弱的还原剂。因此, 在水溶液中讨论元素金属性强弱就必须用到元素的电极电势概念。

对金属元素而言的电极电势, 是处于基态的原子与水溶液中的水合离子的电势差。它的大小取决于金属原子离子化的倾向及其他因素。根据波恩—哈伯循环, 由金属晶体到水合离子有三个过程:1.金属原子克服金属键转变为气态金属原子 (即金属的原子化热或升华能) ;2.金属气态原子失去电子变成气态离子 (电离能I) ;3.金属气态离子变为水合离子 (离子水合能) 。

可分为以下几步:

M (s) -e-→M (aq)

波恩—哈伯循环图示

其中, s、I、h分别代表升华、电离、水合过程的能量变化, ΔH为电极反应的焓变。ΔH=s+I+h。假设所有的焓变都用于做有用功, 就有ΔG=s+I+h。

从波恩—哈伯循环图示可看出, 电离能只是电极反应过程中能量的一部分。电极电势是综合的定量指标, 不仅与电离能大小有关, 还与金属升华能 (克服金属键) 大小、水合能大小密切相关。从上表数据我们还发现, 尽管金属锂的升华能和电离能较其他碱金属大, 但锂离子的水合能比碱金属的其他阳离子要大得多。通过计算可以看到, 这部分能量不仅补偿了前两者较其他碱金属多消耗的能量, 而且最终环境所要提供的功是最小的。因此, 金属锂的标准电极电势也是最小的。

四、动力学因素影响的金属性

那为何实验又没有看到锂的剧烈反应呢?通常有以下三种解释。第一种是因为锂的金属键是所有碱金属中最强的, 熔点也最高, 不像其他碱金属那样在反应过程中熔化, 故呈固态的锂与水接触的机会不如液态充分, 反应速率小。第二种是因为Li OH在水中溶解度较小, 它覆盖在金属锂的表面上阻碍了锂与水的接触, 使反应速率减小。山东济宁师专的程桢臣、田春良老师通过对碱金属离子的扩散速度的比较分析, 得出Li+在水中的扩散速度较其他碱金属阳离子慢是造成锂与水反应不剧烈的主要原因。[3]可见, 对金属性强弱的分析, 不仅要考虑热力学的因素, 还要考虑动力学的因素。因为热力学只能是判断反应趋势的大小, 并不能提示真实反应的情景。

五、结论

1.在比较游离态原子金属性强弱时, 我们可以用电离能的相对大小来定量判断。当然, 电离能大小受到多种因素的同时作用, 规律性不强。

2.在比较水溶液中进行的反应的金属性强弱时, 不仅要考虑热力学的因素, 还要考虑动力学因素。

3.游离态碱金属元素的金属性强弱顺序:Li<Na<K<Rb<Cs;碱金属在水溶液中的金属性强弱顺序 (热力学因素和动力学因素同时考虑) :Li<Na<K<Rb<Cs。

参考文献

[1]高胜利, 陈三平, 谢钢.化学元素周期表[M].北京:科学出版社, 2010.

[2]严宣申, 王长富.普通无机化学[M].北京:北京大学出版社, 1999:11.

[3]程桢臣, 田春良.金属锂与水反应新释[J].中学化学教学参考, 1989 (1) :56.

金属钠与水反应篇2

我们一起来研究一下。在正式探究钠的物理化学性质之前，我给大家讲个故事，有一位农村女士，他的弟弟长病不起，看了很多医生都不见好，他非常着急，于是去请了一位大仙，大仙说他家有水鬼，他要施法才能驱除水鬼。一位大仙说他会捉鬼。他往装有半碗水的碗里滴了几滴他所谓的仙水，再把他所谓的吸血丹放到碗里。只见那吸血丹立刻在水面上乱窜，那大仙美飞色舞地说：看！我那吸血丹在动，说明这周围有鬼，它正在吸鬼魂；听！那“嘶嘶”的声响，正是鬼临死前的呻吟；再看！水变红了，那是鬼被我的吸血丹吸收后，化作了血水„„相信鬼神的人听了后肯定会信以为真，但稍有知识的人都知道世上并没有鬼，但大仙那所谓的吸血丹和仙水究竟是什么呢?今天我们学了这一章就知道了！

【提问技能】我们生活中有些常见的金属与水都不反应，那么是不是所有的金属都不与水反应呢？

今天我们学习钠这一章，现在我们来这个钠与水反应的实验同学们观察到什么现象啊？钠浮在水面，说明什么？。

熔化成银白色的小球，说明了什么问题？熔化需要温度，那热量从哪里来呢？

刚才我们看到了钠在水中游来游去，为什么？反应中发出了嘶嘶的声音，这又是怎么回事呢？

最后一个现象，溶液变成了红色，这又说明了什么。在这个过程中大家可以看到有气体产生，那这个气体是什么？我们要怎样收集它？要怎样检测？

最后我们与生活相联系，钠着火时能否用水扑灭？为什么？该用什么灭火？【课堂讲述】一.氢气的性质 1.物理性质

【演示】完成氢气吹肥皂泡的实验。

【提问】我们看到肥皂泡迅速上升，这说明了氢气具有什么性质？此实验还能说明氢气有哪些物理性质? 【回答】氢气的密度比空气小，氢气是一种无色的气体，难溶于水。[教师活动]：展示一瓶新制的氢气由学生观察。

【设问】氢气是什么颜色什么气味的气体？这属于氢气的什么性质？氢气还有什么其它的性质呢？氢气又有何用途呢？下面让我们一起来研究

[板书]：氢气是一种无色，无味的气体。在101KPa时氢气在-252℃时变成液体，在—259℃

变成雪花状固体，它难溶于水，密度比空气小

【结课技能】同学们，我们一起来回顾一下今天所学习的知识，这节课有四个知识点： 1.实验室常将钠保存在煤油或石蜡油中 2.金属钠的物理性质：银白、轻、软、导、低

银白——银白色；轻——密度小；软——硬度小，质软；导——导电性导热性能良好；低——熔点低

3.钠与水的反应，也是本节课的重点，钠与水反应生成氢氧化钠与氢气，注意方程式的写法，反应现象可以用五个字来形容：浮、熔、游、响、红； 4.如果钠着火了，应该用沙土扑灭，而不能用水扑灭。

《钠与水反应》实验改进篇3

【摘要】钠与水反应的实验在人教版高中化学实验中占据重要的地位，通常这个实验是由教师在课堂上演示完成的。多数教师在演示这个反应的时候都是按照教科书里的步骤：将小块金属钠上的煤油擦干后直接投入盛有水的水槽或烧杯中，虽然实验现象非常明显（浮、熔、游、嘶、红），但是实际操作过程中容易出现以下问题：

1、钠的金属性较强，与水反应剧烈，直接投入水中难以控制反应进程，可能会出现钠粒乱溅的现象；

2、通过实验，学生只能确认反应有气体生成，而不能验证该气体是不是氢气；

3、实验是在烧杯或水槽中进行，较难收集气体产物。

因此，我们对本实验做了改进，使上述问题得以很好地解决。

【关键词】钠与水反应；实验改进

【中图分类号】G64.21【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2016）18-00-01

一、实验用品

1、实验仪器：微型实验仪器、注射器

2、实验药品：钠粒、酚酞、肥皂水

二、实验装置图

三、实验步骤及现象

1、按上图所示连接好实验仪器，并检验装置的气密性。

2、添加药品：先将切好的钠放入内置管中，再将内套管装于U型管右侧（带支管一侧），接着用针筒吸取一定量的酚酞与水的混合溶液以备用，再将小烧杯装好肥皂液，导管伸进肥皂液中。

3、慢慢推动注射器的推手，使U型管内的液体与钠接触。反应有气体生成时，导管有气泡逸出。当肥皂水中产生较多肥皂泡时，将点燃的火柴靠近肥皂泡可检验气体纯度。若氢气纯净，能听到“噗”的一声。若不纯，则会有尖锐的爆鸣声。此时U型管内的液体由无色变成红色。

四、改进实验的优点

1、用内置管装钠，可防止加溶液时钠马上与水反应了（即当钠与水反应时，U型管内已经形成液封），钠粒不会乱喷溅出来。

2、气体能从右边导管出去，可观察肥皂水形成气泡后，再点燃气体进行检验并对氢气验纯，从而降低实验的危险性。

钾与水反应实验的改进篇4

针对教材中钾与水反应实验的不足, 笔者进行了认真的研究和改进, 并收到了较好的教学效果, 现介绍如下, 以飨读者。

一、实验用品

两通玻璃管1支, 气球1个, 3号橡胶塞1个, 细线若干, 火柴1盒。

蒸馏水, 酚酞试液, 金属钾。

二、实验装置 (如图2所示)

三、实验方法及其现象

1. 取一只干燥的厚壁气球, 在气球的底部放一块绿豆粒大小的金属钾, 用手将包裹金属钾的气球部分拧转一周, 赶出内部的空气, 然后用细线紧紧扎在气球的底部。

2. 将气球套在两通管的下口, 并用细线扎紧。

3. 向带有气球的两通管内注入加有酚酞试液的蒸馏水至满管。

4. 用3号橡胶塞紧紧塞在两通管的上口。

5. 将气球下方扎有金属钾部分的细线解开, 加有酚酞试液的蒸馏水立即与金属钾接触, 由于金属钾的密度比水小, 金属钾迅速上浮到溶液的上方, 并和水反应产生气体, 加有酚酞试液的蒸馏水随之变红 (如图3所示) , 由此说明钾与水反应产生了氢氧化钾。

6. 将橡胶塞取下, 用点燃的火柴靠近管口 (如图4所示) , 可听到“噗”的响声, 说明钾与水反应产生了氢气。

四、实验优点

1. 取材容易, 制作简单, 操作方便, 现象明显。

2. 该装置不仅可以得到纯净的氢气, 而且还解决了氢氧化钾腐蚀皮肤问题。

3. 通过该装置的设计, 可以培养学生的安全意识和创新精神, 提高课堂教学效果。

4. 该装置适合课堂演示实验和学生分组实验。

参考文献

金属钠与水反应篇5

今天下午是中学教学实验研究，做了《过氧化钠与水反应异常现象探究》的实验，刚开始做实验时感觉实验本身超级简单，用不了多长时间就会做完。进实验室之前感觉自己都准备好了，因为按照自己的想法设计出了实验方案，又通过查找资料进行了修改，但是进了实验室，老师的一个个问题，还有“深思熟虑”的见解，让我感到自己开始时想得有点肤浅。这个探究实验远远不止自己原先想的那么浅，那么简单。它不同于普化、综合实验，它不仅要求以实验者的角度去思考、实施实验本身，而且更要求以一个化学教师的角度去更深层次的思考，更加规范自己的操作，还要思考实验给教学什么样的启示，让学生从中真正能获益什么。科学探究过程可以说是科学知识的产生过程，是个人层面的科学。如果我们按照查好的资料进行实验，不加入自己的思考，这就是知识的再认知过程，而这样的过程是不合格的科学探究。本实验是探究的实验，培养学生的科学探究能力，让学生从停留在知识表面上整体上的感性认识转向理性地对单独因素的作用机制的科学认识。基于这样的思考我进行了本实验的内容。

首先针对异常现象我提出了以下猜想：

由于过氧化钠与水反应实质上分两步进行，而且释放出热量，2Na2O2+4H2O=4NaOH+2H2O2;2H2O2=2H2O+O2↑.导致溶液红色褪去的原因从物质与热量方面来考虑可能有： ⑴、反应产生的热量导致溶液的温度上升，可能使红色褪去； ⑵、可能是产物中氧气的氧化性使溶液红色褪去； ⑶、可能是过氧化氢漂白性使溶液红色褪去； ⑷、可能是受生成物氢氧化钠浓度的影响。

然后从理论知识进行了分析：

酚酞是4，4—二羟基三苯甲醇一2一羧酸的内酯，具有弱酸性、弱还原性，无色晶体，在稀酸和中性溶液中，酚酞分子中三个苯环与一个SP3杂化的中心碳原子相连，三个苯环(生色基)之间未形成共轭关系，因此是无色的。遇碱后内酯开环并生成二钠盐，中心碳原子转化为SP2杂化状态，与三个苯环形成多个生色基共扼体系（醌式结构），因而显颜色（红色）。但在过量碱的作用下，由于生成3了三钠盐，中心碳原子又恢复到SP杂化状态，共扼体系消失，颜色也随之褪去。

可见红色酚酞褪色的原因可能是显红色的醌式结构被破坏了。从上图示可以看出，酚酞遇过量的碱，可使红色溶液褪色。通过分析化学中的知识知道，酚酞变色范围是pH值介于8.2--10.0之间。可见氢氧化钠使溶液褪色与其浓度有关。根据假说及推理我设计并进行了以下实验：

实验一：

实验目的：探究反应产生的热量是否使红色酚酞溶液褪色实验药品：过氧化钠粉末、蒸馏水、酚酞溶液实验仪器：试管、烧杯、量筒实验步骤：⑴、向小试管中加入一小药匙过氧化钠粉末，加入10mL蒸馏水待反

应完全后将溶液分成两份；

⑵、将一份浸入装有冷水的烧杯中，冷却后滴加2滴酚酞溶液；

⑶、将另一份侵入热水中，再向其中滴加2滴酚酞溶液；实验现象：两份溶液的红色的逐渐退去，只不过热的褪色快点

实验结论:反应产生的热量不是使红色酚酞溶液褪色的原因，热水中的那份溶液

褪色较快的原因是物理反应，因为温度高加快了分子的或离子的运动。

由于猜想氢氧化钠的浓度可能是使红色酚酞溶液褪色的原因，因此在分析其它因素是，应首先要排除氢氧化钠浓度的影响。即是找到一个较低的氢氧化钠浓度，再此浓度时可以保证红色酚酞溶液长时间不褪色。因此我配制了0.01mol/LNaOH溶液以供下面实验用。

实验二：

实验目的：探究氧气是否能使红色酚酞溶液褪色

实验药品：30%的过氧化氢溶液、二氧化锰、0.01mol/LNaOH溶液、酚酞溶液实验仪器：试管、试管架、带有导气管的单孔胶塞，胶头滴管实验步骤：⑴、向试管中加入0.01mol/LNaOH溶液3mL，滴加2滴酚酞溶液使

其变为红色；

⑵、向一支试管中加入3mL30%H2O2,用试管架固定，之后向其中加

入少量MnO2,并将制得的氧气通入红色溶液中，观察现象。实验现象：红色酚酞溶液没有褪色

实验结论：氧气不能使红色酚酞溶液褪色

实验三：

实验目的：探究H2O2是否使红色酚酞溶液褪色

实验药品：30%H2O2、0.01mol/LNaOH溶液、酚酞溶液实验仪器：试管、胶头滴管

实验步骤：向一支试管中加入0.01mol/LNaOH溶液3mL，再向其中滴加2滴酚

酞溶液，观察到溶液变为红色并长时间不褪色，再向其中加入

2mL30%H2O2，振荡试管，2~3min后观察现象。实验现象：红色酚酞溶液颜色逐渐变浅至褪色实验结果：H2O2可以使红色酚酞溶液褪色

实验四：

实验目的：探究NaOH是否为红色酚酞溶液褪色的原因实验药品：氢氧化钠固体、酚酞溶液、盐酸实验仪器：试管、胶头滴管实验步骤：⑴、配制3mol/L的氢氧化钠溶液；

⑵、向试管中加入3mL3mol/LNaOH溶液，向其中滴加2滴酚酞溶液，可以看到溶液先变红后褪色。将所得溶液分为两份。

⑶、向其中一份滴加少量盐酸，并与另一份进行对比。观察现象。实验现象：当向其中一支试管中逐滴加入盐酸中和氢氧化钠，随着氢氧化钠浓度的减小，溶液又恢复为红色。

实验结论：氢氧化钠使溶液褪色与其浓度有关。由于酚酞变色范围是pH值介

于8.2--10.0之间，而实验中氢氧化钠浓度很大，pH值在10以上，导致酚酞呈现无色。加入盐酸后，由于中和反应，氢氧化钠浓度下降，pH值降至10.0以下，由于变色的可逆性，溶液再次呈现红色。所以，是NaOH的浓度造成酚酞褪色，而并非酚酞结构被破坏。

以上实验是自己的一点小想法，在向老师汇报之后基于老师提出的更深层次的问题又进行了下面的实验。首先是在探究反应产生的热量是否能使红色酚酞溶液褪色中，我考虑的是反应产生的热量能否使红色酚酞溶液褪色，所以用的是过氧化钠与水反应这一体系，这样证明的结论就是在混合体系中反应产生的热量不能使红色酚酞溶液褪色。但也可以从另一个层面进行分析，探究热量对红色酚酞溶液的影响，这样更广泛，不仅适用于这一个实验，对一类都使用。其次是对高浓度的氢氧化钠使酚酞溶液变红又褪色后得到的无色溶液的探究。在探究氢氧化钠浓度对红色酚酞溶液的影响时我们已经得出了氢氧化钠浓度使红色酚酞溶液褪色并没有破坏酚酞显红色时的结构，而是具有可逆性的变色。但是并没有对过氧化氢使红色酚酞溶液褪色后得到的无色溶液进行深入探究。基于上述两点我又进行了以下实验。

实验五: 实验目的：探究热量能否使红色酚酞溶液褪色实验药品：0.01mol/LNaOH溶液、酚酞溶液实验仪器：烧杯、试管、试管夹实验步骤： ⑴、取两支试管，分别向其中加入3mL0.01mol/LNaOH溶液；

⑵、将一支试管放在冷水中冷却，将另一支试管放在热水中加热。

⑶、向两支试管中分别加入2滴酚酞溶液，观察现象。实验现象：两支试管中的红色酚酞溶液都没有褪色实验结论：热量并不能使红色酚酞溶液褪色

实验六：

实验目的：探究过氧化氢使红色酚酞溶液褪色后得到的无色溶液的性质实验药品：30%H2O2、0.01mol/LNaOH溶液、酚酞溶液、实验步骤：⑴、向试管中加入3mL3mol/LNaOH溶液，向其中滴加2滴酚酞溶

液，可以看到溶液先变红后褪色。将所得溶液分为两份。

⑵、向其中一份无色溶液中滴加少量盐酸；向另一份无色溶液中加

入2mL30%H2O2，再加入一定量的盐酸，观察现象；

⑶、向另一支试管中加入 2mL30%H2O2，再滴入2滴酚酞溶液，再

加入3mL0.01mol/LNaOH溶液，观察现象。

实验现象：第一份中加入盐酸变为红色，第二份中加入过氧化氢还是无色溶液，再向其中加盐酸得到的仍然是无色溶液。第三支试管中得到红色溶

液。实验结论：说明过氧化氢不能破坏酚酞无色内酯式的结构，遇到低浓度的氢氧化

钠溶液还是会变为红色；但过氧化氢却破坏了酚酞溶液显红色时的醌

钠与水反应实验创新设计篇6

钠与水反应是高中化学教材中的一个重要实验，《全日制普通高级中学教科书》介绍的方法如图1所示，图1优点是：能收集和检验氢气；缺点是：无法观察钠和水反应现象。《普通高中课程标准实验教科书化学必修1》介绍的方法如图2所示，是将一小块金属钠直接放人盛有水的烧杯中，优点是：易于观察反应现象；缺点是：无法收集和检验氢气。有没有一个十全十美的解决方案呢？笔者经过多次试验，设计出一个如图3所示的便捷的实验装置，巧妙地解决了上述问题。

2.教具制作材料及药品

250 mL广口瓶1个、6号橡胶塞1个、3号橡胶塞1个、直形玻璃活塞1个、玻璃管1支、玻璃棒1支、去掉底部的矿泉水瓶1个、火柴、镊子、滤纸。

金属钠、蒸馏水、酚酞试液。

3.教具制作方法

（1）在与广口瓶相配套的6号橡胶塞上，用打孔器打三个孔，分别安装直形玻璃活塞、短玻璃棒和长玻璃导管。因操作时需要多次让玻璃棒在橡胶塞孔内上下移动，可在玻璃棒伸入胶塞的一端搽一点凡士林。

（2）在与矿泉水瓶相配套的3号橡胶塞上用打孔器打一个孔（与玻璃管直径相当），把该橡胶塞与玻璃管的另一头相连接。最后组装成如图3所示装置，并检验装置气密性完好。

4.教具使用方法

（1）先拨出玻璃棒，用镊子取一小块金属钠（约0.5 g～1 g），用滤纸吸干煤油，捏成棒状（直径与玻璃棒的直径相当），然后用镊子把该钠棒内置于取出玻璃棒后的橡胶塞孔中，再插入玻璃棒把钠推至孔内的适当位置（不与水接触）。

（2）向广口瓶中加水至瓶口的橡胶塞抵达处，再滴加4滴～6滴酚酞试液。塞紧橡胶塞，关闭活塞开关。

（3）演示时只需下压玻璃棒将金属钠推入水中，钠与水立即发生激烈的反应，溶液变成红色，产生的气体将溶液压入上端的矿泉水瓶中，广口瓶内可看到钠熔化成银白色的小球浮在水面上四处游动，直至完全消失，这时，广口瓶中收集有一定量的气体，矿泉水瓶中被喷入一定体积的红色液体。

（4）打开活塞开关，点燃从导管尖嘴口逸出的气体，气体安静地燃烧，拉出长长的火焰。广口瓶中的液面缓慢上升，直至广口瓶充满水，气体排完，火焰熄灭。

5.教具使用优点

该装置的制作融合了化学知识和物理知识，实验时将钠与水的反应、气体的收集、气体的排出、产物的检验和水位的变化集于一体呈现，实验操作简便，自动化程度高，且可重复使用。在利用水充满广口瓶排除空气的情况下，产生的气体纯净，无论是钠与水的放热反应，还是最后的气体点燃，都不会发生爆炸，保证了实验的绝对安全。利用本教具既能充分演示钠与水反应的各种现象又能方便地检验生成物，实验原理清晰，现象生动，便于学生观察分析，同时也增强了实验的新颖性和趣味性，能激发学生的兴趣，活跃学生的思维，充分发挥化学实验的教育功能。

（收稿日期：2015-02-10）

关于铝与水反应教学的几点再认识篇7

一、铝与水能否反应的几种观点

1. 铝的最外层电子数是3, 是一种较活泼的金属, 应该会与水反应.

2. 根据金属活动性顺序表可知, 应该能置换出水中的氢离子.

3. 钠与冷水会剧烈反应, 镁与热水会反应, 铝与水加热也应会反应.

4. 在课本上表述是铝基本上不与水反应, 即有部分老师归纳为不反应.

5. 用实验来证明, 把铝放入水中加热看不到实验现象, 所以不反应.

6. 铝表面的氧化膜除去再放入水中加热, 看不到实验现象, 即不反应.

二、铝能与水反应的理论依据

依据一, 铝的标准电势为-1.66 v, 即能与水反应;依据二, 铝在金属活动性顺序表中排在氢前面, 金属性较强能与水中电离出的氢离子反应, 但在水中加热的条件下为什么看不见实验现象?主要是铝与水中的溶解氧形成了致密的氧化膜将铝与水隔离, 不能相互接触从而不能进一步的反应下去, 所以肉眼看不到该反应的实验现象, 假如给铝创造强碱性的环境:2Al+6H2O=2Al (OH) 3+3H2;Al (OH) 3+NaOH=NaAlO2+2H2O就会持续地反应下去.

三、铝与水反应的实验改进

方法一

1. 实验的原理

先将铝片经过打磨和稀盐酸 (或NaOH溶液) 浸泡除去表面的氧化膜, 再将其放入Hg (NO3) 2溶液中, 能将其盐溶液中的Hg置换出来, 且Hg单质具有溶解金属的能力与铝生成铝汞齐, 破坏铝表面的结构阻止氧化膜的生成, 这样铝就能与水反应生成H2和Al (OH) 3絮状沉淀, 主要化学反应如下:

2Al+3Hg (NO3) 2=2Al (NO3) 3+3Hg,

Al+Hg=Al (Hg) ,

2Al (Hg) +6H2O=2Al (OH) 3+3H2 (+Hg) .

铝能与水连续反应下去关键是有汞的存在, 在整个反应中汞都处于惰性状态不参与反应但能溶解金属, 金属溶于汞生成汞齐时不会改变其自身的化学性质.

2. 实验仪器和药品

铝片, Hg (NO3) 2溶液, 蒸馏水, 稀盐酸, 铁架台, 丁型管, 镊子, 试管, 砂纸.

3. 实验装置图

4. 实验步骤

第一步, 检验丁型管是否漏水, 并在活塞上涂上凡士林.

第二步, 除去氧化膜.

取一根长约15厘米, 宽约1厘米的铝片, 用砂纸打磨过之后绕成螺旋状放入稀盐酸中浸泡3分钟, 取出后用水冲洗干净.

第三步, 汞齐化.

将洗净后的铝片放入Hg (NO3) 2溶液中浸泡约5分钟, 取出后用水冲洗干净, 这时要迅速将其放入丁型管中, 不能长时间的暴露在空气中.

第四步, 与水反应.

将洗净的铝汞齐片放入丁型管的短管中, 插上活塞且处于开启状态, 然后从长管处加入蒸馏水, 排尽短管处的空气后关闭活塞, 反应约3分钟后速度加快, 有大量的气泡产生, 短管液面下降, 长管液面上升.

第五步, 检验产物.

打开活塞, 在尖嘴处点燃气体, 能安静的燃烧, 产生淡蓝色火焰, 在火焰上方罩一只干燥洁净的烧杯, 内壁有水珠生成.

5. 改进实验的关键

氧化膜要去除干净和汞齐化是实验的关键所在, 铝片必须要仔细地打磨, 浸泡在稀盐酸或氢氧化钠溶液的时间要长一点:汞齐化实验时, 浸泡在硝酸汞溶液中的时间也要长一些.

方法二

1.实验原理

先将铝片放入稀盐酸中浸泡除去表面的氧化膜, 然后给铝创造无氧气的环境与水蒸气接触, 给其加热, 这样就能使铝与水蒸气不断地反应下去, 再用肥皂水证明产生的气体是氢气.

2.实验仪器和药品

烧杯, 试管, 导管, 注射器, 酒精灯, 橡皮管, 表面皿, 多孔筛板, 稀盐酸, 碳酸钠溶液, 肥皂水, 铝片.

3.实验装置图

4.实验步骤

第一步, 按照实验装置图连接好仪器, 并检查装置的气密性.

第二步, 除去氧化膜.

在多空筛板上放上铝片, 打开K1关闭K2, 加入稀盐酸浸没铝片, 塞上橡胶塞, 当左边烧杯水中有连续气泡产生时, 即为氧化膜除尽.

第三步, 除去试管中的盐酸.

用注射器注入滴有酚酞的饱和碳酸钠溶液, 打开K2关闭K1, 利用盐酸与碳酸钠反应产生的二氧化碳棑出试管中的氢气和盐酸, 继续加碳酸钠溶液占试管体积的

第四步, 将左边的烧杯移去, 放一只装有肥皂水的表面皿.

第五步, 关闭K2打开K1, 点燃酒精灯加热试管中的溶液, 产生大量的水蒸气与铝充分接触反应, 产生大量的气体, 在表面皿中吹出许多气泡.

第六步, 检验产物.

点燃肥皂泡产生淡蓝色火焰, 并能听到轻微的爆炸声.

5.改进实验的关键

金属钠与水反应篇8

岩溶水是训家坝地区居民生活用水的主要来源,目前还未有该地区的水文地球化学的相关研究。因此,本次研究选择典型的背斜构造区岩溶槽谷为研究区域,采取该岩溶水文系统的水样品,基于水文地球化学基础理论,采用主成分分析、相关分析和离子比例系数分析方法,探讨了该区水体离子特征与水-岩反应机理,以期为该区域的岩石土壤风化、水-岩作用机理、水-岩物质转化与迁移、水文循环机制等研究积累基础资料,为岩溶水资源的合理开发与利用以及环境保护政策的制定等提供理论依据和指导。

1 研究区概况

研究区位于贵州省铜仁思南县训家坝地区(图1),是我国南方典型喀斯特槽谷地貌,属中亚热带季风湿润气候,年平均温度17.3℃,年平均降水量1 220.1 mm。该区位于训家坝岩溶槽谷地带,属鹦鹉溪背斜构造北段,背斜核部为奥陶系下统桐梓组-红花园组(O1t-h)灰岩、白云岩,两翼由老到新分别为奥陶系下统大湾组(O1d)砂页岩、灰岩,中上统(O2+3)灰岩,志留系下统龙马溪组(S1l)泥质灰岩、砂页岩,表层为薄层黏土覆盖物。岩溶暗河发育于鹦鹉溪背斜核部的奥陶系下统桐梓组-红花园组(O1t-h),位于训家坝岩溶槽谷地带南端,南北走向,全长约1.5 km。

本次研究的背斜构造区岩溶槽谷是一个相对独立的岩溶水文地质单元,该水文系统内部的水力联系较为统一,而边界(槽谷北端和东西两侧的分水岭)也相对完整。大气降水通过溶蚀裂隙、漏斗、落水洞等地表岩溶形态直接补给研究区,以岩溶下降泉的形式出露至地表,在训家坝岩溶槽谷一带汇集成由北向南的季节性地表径流,由暗河入口(肥水田,海拔526 m)贯入式流入暗河,由北向南,在地势低洼的暗河出口(大屋基,海拔456 m)排泄至地表,形成地表河溪,流经红星电站,最终汇入乌江。

2 研究方法

2.1样品采集与分析

采取19组岩溶泉水样品,水样用去离子水清洗后的2.5 L聚乙烯瓶采集后蜡封并编号,除p H和水温现场测定外,其余参数在四川省鑫川建筑工程检测有限公司分析,分析参数包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-等,各阴阳离子采用DIONEX-600型离子色谱仪测定。常规离子参数分析的误差采用阳离子-阴离子浓度平衡法进行检测,用下式计算[14],所有水样误差E<±5%。

各水样数据的统计处理与离子比例采用Microsoft Excel完成。各离子组分的相关性分析则用SPSS 19.0软件的Pearson分析完成。

2.2主成分分析

主成分分析(PCA)是利用降维的思想把具有一定相关关系的多个变量转化为少数互不相关的综合指标,替代原来的多个变量,降低观测空间的维数,以获取最主要的信息。随着水文地质学的不断发展,主成分分析方法逐渐在水文地质学分析中得到运用,其数学模型如下[15]。

注:1)max表示最大值;min表示最小值;mean表示均值;Std.表示标准偏差;Cv表示变异系数;Std、Cv无量纲,其余单位为mg·L-1。

式中:a1i,a2i,…,api;(i=1,2,…,m)为X协方差阵的特征值所对应的特征向量;Z X1,Z X2,…,Z Xp为各个原始变量经过标准化处理后的值,其计算用SPSS 19.0完成。

3 结果与讨论

3.1 离子特征

本次研究对采取的19组岩溶水样离子进行了统计分析(表1)。由表1可知,K+浓度区间在0.18~11.30 mg·L-1,均值为1.78 mg·L-1,低于暗河出口处K+浓度2.20 mg·L-1;Na+浓度区间在0.16~20.00 mg·L-1,均值为3.72 mg·L-1,低于暗河出口处Na+浓度4.10 mg·L-1;Ca2+浓度区间在52.10~232.50 mg·L-1,均值为101.64 mg·L-1,高于暗河出口处Ca2+浓度53.70 mg·L-1;Mg2+浓度区间在2.60~27.97 mg·L-1,均值为11.34 mg·L-1,高于暗河出口处Mg2+浓度6.50mg·L-1;Cl-浓度区间在0.17~53.53 mg·L-1,均值为5.30 mg·L-1,高于暗河出口处Cl-浓度2.30mg·L-1;SO42-浓度区间在8.24~272.80 mg·L-1,均值为102.80 mg·L-1,高于暗河出口处SO42-浓度30.90 mg·L-1;HCO3-浓度区间在0.05~0.81 mg·L-1,均值为237.62 mg·L-1,高于暗河出口处HCO3-浓度167.60 mg·L-1;NO3-浓度区间在85.42~451.5 mg·L-1,均值为0.30 mg·L-1,高于暗河出口处NO3-浓度0.05 mg·L-1;阳离子相对丰度Ca2+>Mg2+>Na+>K+,其中Ca2+为优势离子;阴离子相对丰度HCO3->SO42->Cl->NO3-,其中HCO3-为优势离子。

3.2 控制因素

对研究区的8种主要离子进行主成分分析(principal component analysis,PCA),对数据进行KMO和球型检验,该系列数据符合PCA的要求。提取特征根大于1的2个主成分(FAC1和FAC2),其载荷、方差贡献率、累积方差贡献率见表2。由表可知,2个主成分的方差贡献率分别为49.681%,21.320%,累积方差贡献率分别49.681%,71.000%。

由表3可知,与FAC1密切相关的是Ca2+、HCO3-、SO42-、Cl-、Mg2+、Na+,载荷分别为0.913、0.839、0.825、0.779、0.570、0.561,这6种离子与所在区域的岩性密切相关,反映的是水-岩作用,说明水-岩作用是区域水体离子的控制性因素;与FAC2密切相关的是NO3-、K+,载荷分别为0.845、0.776,这2种离子与人类活动关系密切,反映的是人类作用,说明人类活动对区域水体离子具有重要影响。另外,K+对FAC1、FAC2载荷分别为0.430、0.776,说明K+来源相对较为复杂,水-岩作用与人类作用对钾离子均有一定的贡献。

3.3 水-岩反应

水体物质的来源对水体中离子化学组成起着决定的作用,不同的化学反应过程对水体中离子化学组成的变化产生着重要影响[10,11,12]。K+和Na+主要来源于蒸发岩或硅铝酸盐矿物,Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐矿物或含镁和钙的硅铝酸盐矿物,Cl-主要来源于蒸发岩,SO42-要来源于硫酸盐矿物,HCO3-主要来源于碳酸盐矿物[16]。

研究区对降雨的响应迅速,取样的岩溶泉点在雨后流量明显增加,由此可以判断该背斜构造区岩溶槽谷的水文系统属于开系统[17]。因此,本文不做二氧化碳分压(PCO2)的计算。

对研究区的8种常规离子进行相关性分析(Correlation analysis,CA),由表4、表5可知,Ca2+与HCO3-的相关性极强(R=0.804,P<0.01);Mg2+与HCO3-的相关性中等(R=0.402,P<0.05),Ca2+、Mg2+、HCO3-存在较强的相关性表明这3种离子有较强的同源性。另一方面Ca2+、HCO3-、Mg2+与FAC1密切相关,载荷分别为0.913、0.839、0.570,且研究区系统属于开系统;此外,Ca2+与HCO3-含量关系如图2(a),多数数据点接近1∶1等量线,但一部分偏离1∶1等量线且处在该线上方,Ca2++Mg2+与SO42-+HCO3-含量关系如图2(b)所示,绝大部分数据点位于1∶1等量线。由此可以说明以方解石(Ca CO3)、白云石(Ca Mg(CO3)2)等为主的碳酸盐矿物是Ca2+和Mg2+的主要来源,反应式(1)~式(2)。

Ca2+、SO42-、Mg2+与FAC1密切相关,载荷分别为0.913、0.825、0.570。Ca2+与SO42-的相关性极强(R=0.865,P<0.01),Mg2+与SO42-的相关性强(R=0.673,P<0.01),Ca2+、Mg2+、SO42-存在较强的相关性表明这3种离子有很好的同源性。Mg2+与SO42-含量关系如图2(c),多数数据点偏离1∶1等量线且处在该线下方。说明以石膏(Ca SO4·2H2O)、硬石膏(Ca SO4)等为主的硫酸盐矿物溶解对水中离子浓度贡献较大,反应式(3)~式(5)。Marfia等[18]认为在存在溶解CO2的情况下,石膏(Ca SO4·2H2O)溶解的过程中导致白云石[Ca Mg(CO3)2]溶解的不一致,由于Ca SO4在水中的溶解度约是Ca CO3的299倍,使得反应式(4)得以进行下去。岩溶地下水从石膏岩层中将SO42-优先溶解出来,然后再与碳酸盐矿物反应,使得硫酸盐离子与Ca2+、Mg2+同时增加。

另外,当SO42-的化合物硫酸参与矿物溶解时,其强氧化作用一定程度上加速了其他离子的溶解,Ca2+、Mg2+、SO42-这三种离子有较强的相关性,这与SO42-化合产生的硫酸对碳酸盐矿物和硫酸盐矿物的溶解的影响有关[19,20],反应式(6)~式(7)。

注:“*”和“**”分别代表0.05和0.01显著水平。

Cl-、Na+与FAC1密切相关,载荷分别为0.779、0.561。Na+与Cl-的相关性强(R=0.766,P<0.01),K+与Cl-的相关性中等(R=0.578,P<0.01),Na+、K+、Cl-存在较强的相关性,表明这3种离子有较好的同源性。K++Na+与Cl-的关系如图2(d),研究区多数水样点接近1∶1等量线,但部分点分散在1∶1等量线两侧,说明该区蒸发岩类(Na Cl、KCl矿物)溶解的同时,反应式(8)和式(9),硅铝酸盐矿物的溶解可能对水中离子浓度也具有一定量的贡献,反应式(10)~式(11)。K++Na+与Cl-浓度较小,说明该区蒸发岩或硅铝酸盐矿物的溶滤作用较弱。此外,研究区槽谷地带多种植有农田,残余农用钾肥的溶解也是K+的来源之一,使得K+与FAC1、FAC2均呈现出一定的相关性。

地下水系统中氮以多种形式存在,以NO3-存在形式居多,其次为NH4+和NO2-,在一定条件下各离子之间可相互转化[13,21]。农肥、大气、人畜排泄物和大面积的生物燃烧等可能是NO3-的来源。研究区槽谷地带多为农田(种植水稻、玉米等),养殖有牲畜(鸡、鸭、猪等),NO3-与FAC2密切相关,载荷为0.845,说明NO3-主要来源于人类活动,NO3-还可能由NH4+和有机氮的硝化作用转化而来。硝化作用可用反应式(12)~式(13)表示。

农肥中较常用的尿素(NH2CONH2)在细菌的作用下发生一系列复杂的反应,最终生成硝酸盐[22,23]。研究区的Ca2+和NO3-具有一定的相关性,原因之一可能是反应式(12)生成的H+对碳酸盐岩等作用而释放出一定量的Ca2+,使得Ca2+和NO3-具有一定的相关性。

4 结论

(1)研究区水文系统水体中的阳离子相对丰度Ca2+>Mg2+>Na+>K+,其中Ca2+为优势离子,均值为101.64 mg·L-1;阴离子相对丰度HCO3->SO42->Cl->NO3-,其中HCO3-为优势离子,均值为237.62 mg·L-1。

(2)主成分分析结果表明,与FAC1密切相关的是Ca2+、HCO3-、SO42-、Cl-、Mg2+、Na+,FAC1贡献率达49.681%,反映的是水-岩作用,说明水-岩作用是区域水体离子的控制性因素;与FAC2密切相关的是NO3-、K+,FAC2贡献率为21.320%,反映的是人类作用,说明人类活动对区域水体离子具有重要影响。另外,K+对FAC1、FAC2载荷分别为0.430、0.776,表明K+来源相对较为复杂,水-岩作用与人类作用对钾离子均有一定的贡献。

(3)相关性分析与离子比例系数分析结果表明,以方解石(Ca CO3)、白云石[Ca Mg(CO3)2]为主的碳酸盐矿物,石膏(Ca SO4·2H2O)、硬石膏(Ca SO4)等硫酸盐矿物以及蒸发岩类的水-岩作用是区域水体中离子的主要来源,硅铝酸盐矿物的溶解可能对水中离子浓度也具有一定量的贡献。NO3-则主要来源于人类活动,残余的农肥、牲畜代谢物等对水体离子也具有一定影响。

(4)需要说明的是,影响水体化学离子组成的因素众多,本文仅就水-岩反应的物质迁移和人类活动输入做了相关研究,未考虑大气降水输入、水-汽物质转化与运移等其他因素。

摘要：采取了19组典型的背斜构造区岩溶槽谷水文系统的水样基于水文地球化学基础理论,采用主成分分析、相关性分析和离子比例系数分析方法,对区域内的离子特征和水-岩反应进行研究。结果表明,水体中的阳离子相对丰度Ca2+>Mg2+>Na+>K+,其中Ca2+为优势离子均值为101.64 mg·L-1;阴离子相对丰度HCO3->SO42->Cl->NO3-,其中HCO3-为优势离子均值为237.62 mg·L-1。提取特征根大于1的两个主成分(FACl和FAC2),与FACl密切相关的是Ca2+、HCO3-、SO42-、Cl-、Mg2+、Na+,FACl贡献率达49.681%,反映的是水-岩作用,说明水-岩作用是区域水体离子的控制性因素,以方解石(CaCO3)、白云石[CaMg(CO3)_2]为主的碳酸盐矿物,石膏(CaSO4·2H2O)、硬石膏(CaSO4)等硫酸盐矿物以及蒸发岩的水-岩作用是区域水体离子的主要来源。与FAC2密切相关的是NO3-、K+、FAC2贡献率为21.320%,反映的是人类作用,说明人类活动对区域内水体离子具有一定影响。另外,K+对FACl、FAC2载荷分别为0.430、0.776,说明K+来源相对较为复杂,水-岩作用与人类作用对钾离子均有一定的贡献。

钠与水反应微型实验创新设计篇9

【摘要】利用微型实验具有的实验装置简单便捷、试剂用量少、安全性高、成本低等特点，从而实现对钠与水反应以及对其性质的探究的一体化改进。

【关键词】钠与水；性质；微型实验改进

【中图分类号】G64.25【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2016）18-0-01

一、设计思路

钠与水的反应实验是中学化学重点实验项目之一，而现行人教版全日制普通高中教科书化学必修一关于钠与水反应的实验装置存在以下不足：一是敞口进行，存在安全隐患。钠与水的反应没有专门的反应容器，而反应在敞口的烧杯或培养皿中进行，由于钠与水的反应比较剧烈，钠容易溅出反应容器，存在着一定的安全隐患。二是气体不易收集。在用排水法收集氢气时，需要将盛满水的试管倒置于烧杯内，但水容易溢出来，使操作不便。此外，要把手伸进烧杯中，而钠与水反应生成的氢氧化钠溶液有腐蚀性，易腐蚀皮肤。三是影响实验结论的准确性。因为钠被铝箔包裹，而钠与水反应的产物氢氧化钠能与铝箔反应生成氢气，干扰了钠与水反应产生的气体是氢气这一结论。四是无法进行重复性实验，浪费药品。实验过程把钠与水的反应和气体的收集、检验进行分离，而钠与水反应迅速，一次实验学生无法很好地观察到所有的实验现象，既浪费时间，又浪费药品，给准备工作和实际操作带来了许多麻烦。

为了加强实验的安全性、操作的简便性、用品的节约性和实验现象的明显性，培养学生的创新思维，笔者对实验做了如下创新设计并引入微型化学实验。微型化学实验是在微小仪器中用尽可能少的试剂（常规的十分之一至千分之一）来进行化学实验，它是绿色化学的重要组成及新世纪化学教学改革趋势之一。既可以由教师进行演示探究也可以让学生开展分组实验。

二、实验设计

（一）实验药品及仪器：金属钠、煤油、酚酞试液、蒸馏水；5ml注射器一支、具支试管、导管、小烧杯、橡胶管、小刀、火柴等。

（二）实验装置

（三）实验步骤

1、检查装置的气密性。

2、在具支试管中放入擦干净的钠粒并注入煤油（煤油刚好没过钠粒），在注射器中吸入滴加酚酞的蒸馏水3mL。

3、如图连接好装置（用石蜡封好可能漏气处）。

4、向下推动注射器，向盛有煤油和钠粒的具支试管中推入加含酚酞试液的蒸馏水。

5、反应1～2min后，用燃着的火柴直接靠近小烧杯口。

（四）实验现象

1、在实验前，银白色的钠粒在煤油中，不与煤油反应。

2、当向反应容器中加入蒸馏水时，蒸馏水进入下层，钠粒立即浮于水面层之上、煤油层之下，并且钠粒在水层面上翻滚游动，逐渐熔化成闪亮的银白色金属小球，并能听到反应的“嘶嘶”声。煤油层中有大量的气泡出现，蒸馏水层由无色逐渐变成红色。